双馈风机惯量控制最优退出时刻的研究

发布时间：2018-05-20 04:36

本文选题：风力发电 + 惯量控制　；参考：《山东大学》2017年硕士论文

【摘要】：风能具有清洁、来源丰富和可再生等优点,如今风力发电在全球范围内发展十分迅速。风电机组一般通过电力电子装置接入系统,输出功率与系统频率解耦,不能响应系统频率变化,对外表现出的惯量为零。因此风电大规模并入电网导致系统惯量降低,使系统应对有功功率扰动的能力变差。风机的惯量控制可以有效解决风机并网导致的惯量降低问题。扰动发生后,惯量控制通过模拟同步机的惯量,释放风机存储在转子中的动能,使风机参与调频。在动能释放的过程中,转子转速持续下降;为了保证风电机组的安全运行,风机必须在转速下降至下限之前结束惯量控制,退出调频,切换回正常运行状态,将转速恢复至稳态值。风机退出调频导致其输出功率突然下降,继扰动引起的频率下降之后,给频率带来第二次跌落。本文深入分析和研究了风机结束惯量控制引起的二次跌落问题,以方波式惯量控制为例,对风机调频过程建模并对模型进行了简化,研究了二次跌落与风机退出调频时刻之间的关系,构建了最优退出方程组,并对最优退出时刻的求解进行了化简,先后推导了风机参与调频时最优退出时刻的精确数值解、最优退出时刻的近似解析解以及固定退出时刻,其中固定退出时刻形式简洁、计算简单、物理意义清晰,适合在工程实际中应用。文章首先分析了风机调频及二次跌落问题的研究现状,对现有方法进行了归纳和总结。然后介绍了风机的运行原理、惯量控制的原理和系统频率响应模型,并分析了风机并网对系统惯量和频率响应的影响。在上述研究的基础上,对风机调频的过程进行建模,推导了风机采用方波式惯量控制参与调频时的频率响应,然后以风机退出调频引起的二次跌落最小为目标,通过对频率响应的极小值求偏导的方法构造了最优退出方程组,得到了最优退出时刻。通过非线性方程组的数值解法对最优退出方程组进行求解,得到最优退出时刻的精确数值解。通过数值解法虽然可以得到最优退出时刻的准确值,但数值解经过多次迭代才能求得,不便于对最优退出时刻的特性进行解析分析。为了得到最优退出时刻的解析表达形式,论文对系统频率响应和最优退出方程组分别进行泰勒展开,得到最优退出方程组的近似线性方程组,进而求得最优退出时刻的近似解析解。解析解有明确的表达式,可对最优退出时刻的影响因素进行分析。分析表明,风机惯量控制的最优退出时刻与系统参数、风速、风机输出功率和扰动大小都相关。为了简化分析,文章进一步对风机调频时的频率表达式进行化简,采用一种简化模型对风机退出调频的过程进行建模。从物理意义来看,简化模型忽略了风机退出调频时的功率与退出时间之间的耦合关系以及风机退出调频后的转速恢复过程,仅考虑扰动发生时刻风机输出功率的增加以及退出调频时刻输出功率的下降。将最优退出方程组应用于简化模型,得到简化模型的最优退出时刻。分析表明,简化模型所对应的最优退出时刻与风速、风机的输出功率和扰动大小均无关,称为固定退出时刻。理论分析和仿真结果表明,风机在固定退出时刻和最优退出时刻退出调频时,所引起的二次跌落都比较小,二者产生的频率响应差异也非常小。这样,在风机以方波式惯量控制参与系统调频时,可以找到一个仅与系统参数相关而与风机具体运行状态无关的固定退出时刻,在这个固定退出时刻退出调频时,可以最大程度地减小二次跌落,系统频率响应最好。从物理意义上讲,一方面风机在固定退出时刻退出调频,可使初始扰动引起的频率超调点与风机退出调频引起的频率极小值点相重合,最大程度地削弱二次跌落;另一方面,在固定退出时刻附近,同步发电机的机械功率达到最大值,此时风机退出惯量控制的功率跌落可以得到最大程度的补偿,实现风力发电机与同步发电机间接的协同调频。
[Abstract]:In order to ensure the safe operation of wind turbine generator , this paper analyzes and studies the relationship between fan frequency modulation and frequency response of fan . In order to simplify the analysis , the paper further simplifies the frequency expression of fan frequency modulation , and uses a simplified model to model the fan exit frequency modulation .
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM315

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